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FPGA的显示器的扫描规律是什么?

电子工程师 来源:未知 作者:王淳 2018-09-18 09:36 次阅读

设计背景:

VGA(Video Graphics Array) 即视频图形阵列,是IBM于1987年随PS/2机(PersonalSystem 2)一起推出的使用模拟信号的一种视频传输标准。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。但在当时具有分辨率高显示速率快颜色丰富等优点在彩色显示器领域取得了广泛的应用,是众多制造商所共同支持的一个低标准。

设计原理:

VGA的实体图与接口示意图,如下图所示,它有15个针孔:

在开发板(ZX_1)中,VGA电路原理图如下图所示:

通过原理图,我们不难发现,VGA需要我们控制的接口只有5个:

显示器的扫描规律是什么?本设计采用逐行扫描,逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始,从左向右逐点扫描,每扫描完一行,电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置,在这期间,CRT对电子束进行消隐,每行结束时,用行同步信号进行行同步;当扫描完所有的行,形成一帧,用场同步信号进行场同步,并使扫描回到屏幕左上方,同时进行场消隐,开始下一帧。通过这种扫描规律,很容易看出,在设计两个有效范围计数器时,场同步信号计数器是以行同步信号计数器为周期的。

VGA的显示标准如下表所示:

对于普通的VGA显示器都要严格遵循“VGA工业标准”,否则可能会损害VGA显示器,因此我们在设计时VGA控制器时,都需要参考显示器的显示标准,下面是VGA的行扫描时序与场扫描时序:

行扫描时序:

场扫描时序:

根据上述显示器的扫描参数以及扫描时序,例如800*600@60的显示模式,60指得是显示器图像的刷新频率,时钟40MHz指得是一个像素输出的频率。800*600VGA的分辨率,指有效显示区域为时序中的c段只有800*600,也就是行计数在[216,1016],列计数在[27,627],在这个范围内,给RGB色值才会有效。

VGA 工业标准显示模式要求:行同步、场同步都为负极性,即同步脉冲要求是负脉冲。行同步信号上电拉高,在行同步计数为0时拉低a个时钟周期,即128,之后拉高,在行同步计数到1055时,行同步计数器清零,场同步计数器加1。在行扫描时序中,扫描计数时,周期就是一个像素点的时间。

场同步信号上电拉高,在场同步计数为0时拉低场同步a个时钟周期,即4之后拉高,在场同步计数到627时场同步计数器清零。

在VGA控制器中,还需要控制三个接口,即三种基色(RGB),它们共专用8位,分别是Red3位,Green3位,Blue3位,所以可以显示256种颜色,RGB数据的格式如下表所示:

设计架构图:

本设计选择的VGA显示标准为800*600@60,实现点亮整个屏幕,并显示为全红。通过分析设计的功能,可以得到如下的顶层架构:

顶层模块端口列表如下:

vga_pll模块是为了满足分辨率800*600@60的时钟为40MHz,而ZX_1开发板的系统时钟为50MHz,通过锁相环,将50MHz转化为40MHzvga_control模块是为了设定行场同步信号,并标定出有效显示区域,并输出控制颜色的po_rgb信号。为了便于移植,根据800*600@60分辨率下的参数,对其进行参数化定义。

设计代码:

VGA控制器代码:

0modulevga_control (pi_clk,pi_rst_n,po_hs,po_vs,po_rgb);

1

2inputpi_clk,pi_rst_n;//系统时钟复位

3outputregpo_vs;//VGA场同步信号

4outputregpo_hs;//VGA行同步信号

5output[7:0]po_rgb;//VGA场红绿蓝三基色

6

7//----------------VGA时序-----------------------------------

8// 显示模式 时钟

9// 800*600@60 40MHz

10//行/场 同步(a) 消隐后沿(b) 有效显示(c) 消隐前沿(d) 扫描时间(e)

11//hs 128 88 800 40 1056

12//vs 4 23 600 1 628

13

14// 行(Horizontal)扫描 Parameter (像素)

15parameterH_A =128;

16parameterH_B =80;

17parameterH_C =800;

18parameterH_D =40;

19parameterH_E =1056;

20

21

22// 场(Vertical)扫描 Parameter (行数)

23parameterV_A =4;

24parameterV_B =23;

25parameterV_C =600;

26parameterV_D =1;

27parameterV_E =628;

28

29//行扫描计数器,

30reg[10:0]hcnt;

31

32always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

33begin

34if(!pi_rst_n)

35hcnt <=11'd0;

36else

37begin

38if(hcnt ==(H_E -1'b1))//扫描完一行像素

39hcnt <=11'd0;

40else

41hcnt <=hcnt +1'b1;

42end

43end

44

45//场扫描计数器

46reg[10:0]vcnt;

47

48always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

49begin

50if(!pi_rst_n)

51vcnt <=11'd0;

52elseif(vcnt ==(V_E -1'b1))

53vcnt <=11'd0;

54elseif(hcnt ==(H_E -1'b1))

55vcnt <=vcnt +1;

56end

57

58//行同步输出

59always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

60begin

61if(!pi_rst_n)

62po_hs <=1'b1;

63elseif(hcnt <H_A)

64po_hs <=1'b0;

65else

66po_hs <=1'b1;

67end

68

69//assign po_hs = (hcnt <= H_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;

70

71//场同步输出

72always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

73begin

74if(!pi_rst_n)

75po_vs <=1'b1;

76elseif(vcnt <V_A)

77po_vs <=1'b0;

78else

79po_vs <=1'b1;

80end

81

82//assign po_vs = (vcnt <= V_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;

83

84wirergb_en;

85

86assignrgb_en =(hcnt >=H_A +H_B &&hcnt <H_A +H_B +H_C)&&

87(vcnt >=V_A +V_B &&vcnt <V_A +V_B +V_C)?1'b1:1'b0;

88

89assignpo_rgb =rgb_en ?8'b111_000_00:8'b0000_0000;

90

91endmodule

顶层文件如下所示:

0modulevga_display_pure (pi_clk,pi_rst_n,po_hs,po_vs,po_rgb);

1

2inputpi_clk,pi_rst_n;//系统时钟复位

3outputpo_vs;//VGA场同步信号

4outputpo_hs;//VGA行同步信号

5output[7:0]po_rgb;//VGA场红绿蓝三基色

6

7//----------------VGA时序-----------------------------------

8// 显示模式 时钟

9// 800*600@60 40MHz

10//行/场 同步(a) 消隐后沿(b) 有效显示(c) 消隐前沿(d) 扫描时间(e)

11//hs 128 88 800 40 1056

12//vs 4 23 600 1 628

13

14wirevga_clk;

15

16vga_pll vga_pll_dut(

17.areset(~pi_rst_n),

18.inclk0(pi_clk),

19.c0(vga_clk)

20);

21

22vga_control vga_control_dut(

23.pi_clk(vga_clk),

24.pi_rst_n(pi_rst_n),

25.po_hs(po_hs),

26.po_vs(po_vs),

27.po_rgb(po_rgb)

28);

29

30endmodule

通过编译后生成的RTL视图如下:

为了验证本设计的逻辑正确性,我们先对其进行了仿真,在仿真时,为了减少仿真的时间,先将行、场扫描的对应参数,进行了缩放,这样不仅节约了仿真时间,同时由于扫描数据量变少,更加便于分析观察。其仿真代码所示;

0`timescale1ns/1ps//仿真时间精度时间单位

1

2modulevga_display_pure_tb;

3

4regpi_clk,pi_rst_n;//系统时钟复位

5wirepo_vs;//VGA场同步信号

6wirepo_hs;//VGA行同步信号

7wire[7:0]po_rgb;//VGA场红绿蓝三基色

8

9//初始化数据,并附相应初值

10initialbegin

11pi_clk =0;

12pi_rst_n =0;

13#200.1pi_rst_n =1;

14

15end

16

17vga_display_pure vga_display_pure_inst (

18.pi_clk(pi_clk),

19.pi_rst_n(pi_rst_n),

20.po_hs(po_hs),

21.po_vs(po_vs),

22.po_rgb(po_rgb)

23);

24

25always#10pi_clk =~pi_clk;//50MHz时钟描述

26

27endmodule

仿真图:

rgb_en信号,只有当po_vspo_hs同时为高电平时,才有效,并且有po_rgb Red基色信号输出,时序仿真细节图如下所示:


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原文标题:FPGA学习系列:30. VGA驱动设计

文章出处:【微信号:FPGAer_Club,微信公众号:FPGAer俱乐部】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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